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2021.03.16 Siパワーデバイス

PSFB回路の基本動作

位相シフトフルブリッジ回路の電力変換効率向上

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PSFB回路におけるZVS動作は、スイッチを構成するMOSFETの出力容量COSSが放電し、Body Diodeに順方向電流が流れている時にそのMOSFETをターンONさせることで成立します。

PSFB回路のQ1~Q4のドレイン電流と一次側トランスに流れる電流波形を示します。

PSFB回路のQ1~Q4のドレイン電流と一次側トランスに流れる電流波形

電流の正の向きをドレイン→ソースの向きとすると、Q1~Q4にそれぞれマイナス方向のドレイン電流が流れる期間、すなわちMOSFETのBody Diodeに順方向電流が流れている期間があることが確認できます。たとえばQ3においては、Mode(7)の区間です。この期間中はドレイン電圧がほぼ0なので、この期間中にターンONすることでZVS動作が成立します。

また、進みレグと遅れレグで、位相をずらしただけの同形の電流波形が生じるのではないこともわかります。このように波形が異なる理由は、この電流波形の下部に示したMode(1)~Mode(14)についての、それぞれの電流経路を考えると理解できます。各モードの番号と位置は、前出のタイミングチャートと同じです。

以下にMode(1)~Mode(14)の動作と電流経路を示します。

  • ・Q1とQ4がON、Q2とQ3がOFF。
  • ・Q2とQ3がOFFにて、Q2の出力容量COSS_Q2およびQ3の出力容量COSS_Q3は充電されている。
  • ・一次側トランスにはViが印加されている。
  • ・LSに電流が流れているので、エネルギーが蓄積する。
  • ・Q1のみターンOFFする。
  • ・Q1がOFFしたため出力容量COSS_Q1が充電される。これにより、Q2のドレイン側の電位が下がるため、同時にCOSS_Q2は放電を開始する。
  • ・COSS_Q1の充電、COSS_Q2の放電が完了した後もLSにエネルギーが蓄積されている場合、Q2のBody Diode(DQ2)を介す電流が流れ、還流動作を始める。
  • ・還流動作のため二次側にエネルギーを供給しないが、LOの影響により電流は流れ続ける。LOによる電流はD1、D2にとって順方向であるため、どちらのダイオードにも電流が流れる。
  • ・Q2がターンONする。この時点ではDQ2が導通しているので、Q2のドレインーソース間電圧VDS_Q2はほぼ0V。つまりZVS動作になるためターンON損失は発生しない。
  • ・Q4がターンOFFする。
  • ・Q4のターンOFFによりQ4の出力容量COSS_Q4が充電される。同時にQ3のソース側電位が上がるため、出力容量COSS_Q3が放電する。
  • ・COSS_Q4の充電、COSS_Q3の放電が完了した後もLSにエネルギーが蓄積されている場合、Q3のBody Diode(DQ3)を介す電流が流れ、還流動作を始める。
  • ・Q3がターンONする。この時点ではDQ3が導通しているのでQ3のドレインーソース間電圧VDS_Q3はほぼ0V、つまりZVS動作となるためターンON損失は発生しない。
  • ・Q3がONしたことで、LSが急速にエネルギーを放出し、Mode(1)~Mode(6)でのILとは逆方向電圧となるので、電流の向きが急速に反転する。
  • ・Q2、Q3がON、Q1とQ4がOFF。
  • ・よってCOSS_Q1およびCOSS_Q4が充電されている。
  • ・一次側トランスにMode(1)とは逆向きにViが印加されている。
  • ・LSに電流が流れるので、エネルギーが蓄積される。
  • ・Q2をターンOFFする。
  • ・Q2をターンOFFすることにより、COSS_Q2が充電され、同時にCOSS_Q1が放電する。
  • ・COSS_Q2の充電、COSS_Q1の放電が完了した後もLSにエネルギーが蓄積されている場合、Q1のBody Diode(DQ1)を介す電流が流れ、還流動作を始める。
  • ・還流動作のため二次側にエネルギーを供給しないが、LOの影響により電流は流れ続ける。LOによる電流はD1、D2にとって順方向であるため、どちらのダイオードにも電流が流れる。
  • ・Q1がターンONする。この時点ではDQ1が導通しているのでQ1のドレインーソース間電圧VDS_Q1がほぼ0V、つまりZVS動作となるため、ターンON損失は発生しない。
  • ・Q3をターンOFFする。
  • ・Q3をターンOFFすることにより、COSS_Q3を充電し、同時にCOSS_Q4が放電する。
  • ・COSS_Q3の充電、COSS_Q4の放電が完了した後でもLSにエネルギーが蓄積されている場合、Q4のBody Diode(DQ4)を介す電流が流れ、還流動作を始める。
  • ・Q4がターンONする。この時点ではDQ4が導通しているのでQ4のドレインーソース間電圧VDS_Q4はほぼ0V、つまりZVS動作のため、ターンON損失は発生しない。
  • ・LSが急速にエネルギーを放出し、Mode(8)~Mode(13)でのILとは逆方向の電流が流れるように電圧がかかるため、電流の向きが急速に反転する。

このような電流経路の変化から、特にMode(7)と(14)の説明にあるように、遅れレグのMOSFETのONにより、入力電源とLSが直列接続され、LSのエネルギーが急速に減少します。この動きは進みレグでは起こらないため、結果として進みレグと遅れレグの電流波形に違いが生じることになります。この電流波形の違いから、進みレグのMOSFETと遅れレグのMOSFETでは損失が異なり、発熱に差異が生じるので熱設計を行う際は注意が必要です。

Mode(5)と(6)、(12)と(13)の説明にあるように、遅れレグにおいて、LSに蓄積されているエネルギーがMOSFETのCOSSに蓄積されているエネルギーより大きくないとMOSFETの充放電が完了しないため、ZVS動作が成立しません。Mode(5)を例に取ってこの条件を式で表すと、以下の(1)式のようになります。IL1はMode(4)終了時点のIL、EOSS_Q3、EOSS_Q4はそれぞれQ3、Q4の出力容量の充放電完了に必要なエネルギーを表しています。

この(1)式から、軽負荷時ではIL1が小さいためZVS動作が成立しにくく、重負荷になるにつれてZVS動作が成立しやすくなることがわかります。

キーポイント:

・14種類のモードで示した動作状態と電流経路を理解する。

・動作の違いから電流波形に違いが生じ、進みレグと遅れレグのMOSFETでは損失が異なり、発熱に差異が生じるので熱設計を行う際は注意が必要。

・ZVS動作の成立条件の式から、軽負荷時ではIL1が小さいためZVS動作が成立しにくく、重負荷になるにつれてZVS動作が成立しやすくなることがわかる。

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